3D打印技術(shù)在先進(jìn)核能中的應(yīng)用前景

來源： 四川省增材制造技術(shù)協(xié)會

近年來，增材制造在能源領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，現(xiàn)在它也被廣泛應(yīng)用于核領(lǐng)域；在當(dāng)前核電行業(yè)日益受到重視的情況下，世界核工業(yè)協(xié)會相關(guān)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2019 年，核電行業(yè)在 33 個國家擁有 438 個可運(yùn)行反應(yīng)堆，是世界第二大低碳電力來源。現(xiàn)在，核電領(lǐng)域積極探索包括增材制造在內(nèi)的新技術(shù)。核能領(lǐng)域?qū)π虏牧?、新工藝要求更高、更為?jǐn)慎。隨著增材制造技術(shù)的日益成熟，近年來增材制造技術(shù)在先進(jìn)核能領(lǐng)域的研究和應(yīng)用越來越廣泛。
60年來，幾代核工業(yè)人艱苦創(chuàng)業(yè)、開拓創(chuàng)新，推動我國核工業(yè)從無到有、從小到大，取得了世人矚目的成就，為國家安全和經(jīng)濟(jì)建設(shè)作出了突出貢獻(xiàn)。核工業(yè)是高科技戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，是國家安全的基石。要堅持安全發(fā)展、創(chuàng)新發(fā)展，堅持 和平利用核能，全面提升核工業(yè)的核心竟?fàn)幜?，續(xù)寫我國核工業(yè)新的輝煌篇章；并在二十大提出，要大力發(fā)展先進(jìn)核能技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用，并確保安全、自主、可控。

本期訪談的專家是來自四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所的唐軍教授。

專家介紹

唐軍教授
四川省增材制造技術(shù)協(xié)會副會長

博士，博士生導(dǎo)師，四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所、物理學(xué)院教授，教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才，四川省學(xué)術(shù)與技術(shù)帶頭人，四川省增材制造技術(shù)協(xié)會副會長。先后負(fù)責(zé)科技部國際熱核聚變堆（ITER）人才課題、國家自然科學(xué)基金、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才、四川省重點(diǎn)研發(fā)等各類基金項目，主要從事核材料、熱電材料與器件的增材制造研究工作。

訪談時間：2023年3月10日
訪談主題：3D打印技術(shù)在先進(jìn)核能中的應(yīng)用前景
訪談地點(diǎn)：四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所

訪談內(nèi)容
唐軍教授你好，本期增材訪談想請你就增材制造技術(shù)圍繞我國核工業(yè)相關(guān)領(lǐng)域，談?wù)勀愕目捶?，并給出建議，謝謝！

唐軍教授：好的，增材制造技術(shù)在航天、航空、生物醫(yī)療及高端制造等領(lǐng)域的應(yīng)用經(jīng)歷了較長的時間的積累，已經(jīng)有較好較成熟的技術(shù)示范；相較國外的情況來看，增材制造技術(shù)在核工業(yè)應(yīng)用這塊大家的起步時間都差不多，這也給我們國家在核學(xué)科建設(shè)發(fā)展和基礎(chǔ)應(yīng)用方面研究贏得了寶貴的時間，我們先看看國外以下幾個方面的應(yīng)用及我們所開展的部分，就能知道我們現(xiàn)在處在什么樣一個發(fā)展階段。

ORNL開發(fā)微型反應(yīng)堆：美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室(ORNL) 2019年牽頭啟動“轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)反應(yīng)堆”(The Transformational Challenge Reactor Demonstration Program，TCR)建設(shè)計劃。TCR通過3D打印制造具有雙壁包層和冷卻通道的燃料元件，其中包含高表面積和螺旋形導(dǎo)向裝置。

法國核公司 Framatome 的 3D 打?。?/font>法國跨國公司Framatome宣布已開發(fā)出一種 3D激光打印不銹鋼燃料組件。該部件是一個頂端網(wǎng)格，用于固定燃料棒，金屬管中堆放著圓柱形燒結(jié)二氧化鈾顆粒。它還用于防止大塊碎片進(jìn)入燃料組件。

Purdue（普渡）大學(xué)的 3D 打印微反應(yīng)器：印第安納州普渡大學(xué)（美國）已獲得美國能源部80 萬美元的資助，用于參與 3D 打印微反應(yīng)器的創(chuàng)建。Purdue 團(tuán)隊的任務(wù)是開發(fā)人工智能技術(shù)，以確保增材制造的核反應(yīng)堆部件的質(zhì)量。增材制造和人工智能技術(shù)的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)更豐富、成本效益更高的核部件鑒定過程。

BWX Technologies 與 ORNL 合作：BWX Technologies 和橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室 (ORNL) 正在研究用于制造核組件的金屬 3D 打印技術(shù)。為了為核反應(yīng)堆提供動力，它們的目標(biāo)是使用基于鎳和難熔金屬的高溫合金生產(chǎn)零件。BWX Technologies 會使用電子束熔化系統(tǒng)來 3D 打印零件，可將組件的耐溫能力提高到高達(dá) 1,482°C，并使整個工廠的效率提高約 50%，而且還可以加快組件原型制作階段。

2018年初，3D打印技術(shù)首次用于大亞灣核電站，實(shí)現(xiàn)大型鑄鍛件的進(jìn)口替代：以制冷機(jī)端蓋制造過程為例，傳統(tǒng)的鑄造工藝開發(fā)周期長，開模費(fèi)用高，且產(chǎn)品機(jī)械強(qiáng)度、沖擊韌性較差，且制造周期長，材料利用率較低。電熔增材制造技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)一體化凈成形、制造周期僅需一周，材料利用率高，產(chǎn)品完整度高，各方面性能與鍛件相當(dāng)且綜合性能遠(yuǎn)優(yōu)于鑄件。

2023年3月，由核動力院牽頭，聯(lián)合四川大學(xué)、東方電氣研究院共同設(shè)立核能增材制造四川省級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，并由核動力院牽頭申請設(shè)立中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟核能工作組，積極推動增材制造在核能領(lǐng)域的發(fā)展及應(yīng)用。

由于3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的產(chǎn)品形狀，制造更特殊的材料，研究和開發(fā)不同類型的3D打印技術(shù)在核能領(lǐng)域的應(yīng)用對下一代核能的發(fā)展越來越重要。國內(nèi)外針對核燃料組件、乏燃料存儲架、反應(yīng)堆陶瓷組件、反應(yīng)堆組件、頂針堵漏裝置等已經(jīng)開展了大量的3D打印技術(shù)應(yīng)用研究。為推動增材制造技術(shù)在先進(jìn)核能領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用，需要打印設(shè)備、軟件控制、三維仿真、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料開發(fā)、工藝調(diào)控、應(yīng)用評價等各要素通力協(xié)作。

建議四川省增材制造技術(shù)協(xié)會發(fā)揮好橋梁紐帶作用，充分利用四川“核大省”的先發(fā)優(yōu)勢，推動核能領(lǐng)域增材制造技術(shù)產(chǎn)學(xué)研聯(lián)動，為促進(jìn)四川向“核強(qiáng)省”邁進(jìn)做出更大的貢獻(xiàn)。

四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所
四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所(也稱成都720所)的前身為國家計委1972年立項的"七二0工程"，并于1980年經(jīng)教育部和原二機(jī)部共同批準(zhǔn)成立的主要從事核科學(xué)與技術(shù)研究與高層次人才培養(yǎng)的專職研究所。研究所的第一任名譽(yù)所長是我國著名科學(xué)家王淦昌先生，現(xiàn)任名譽(yù)所長是原國家自然科學(xué)基金委副主任王乃彥院士。

四川大學(xué)原子核科學(xué)技術(shù)研究所在科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、學(xué)科建設(shè)和人才培養(yǎng)等方面取得了顯著成績，形成了具有特色的5個研究方向:1)輻射物理與醫(yī)學(xué)物理，2)團(tuán)簇及固體中原子碰撞物理，3)材料的輻射改性技術(shù)，4)同位素及輻射生物技術(shù)，5)核監(jiān)測與自動控制技術(shù)。在這些研究領(lǐng)域中，近年來取得了一批研究成果和應(yīng)用成果，包括:帶電粒子輸運(yùn)理論及其在聚變堆中的粒子表面相互作用等方面的應(yīng)用、基于加速器的原子碰撞及團(tuán)簇物理和超短超強(qiáng)激光-團(tuán)簇相互作用研究、電子原子碰撞內(nèi)殼層電離截面實(shí)驗(yàn)研究、儲氫材料中氦原子團(tuán)簇行為的實(shí)驗(yàn)和理論研究、放射治療中涉及的最優(yōu)化問題的研究、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的三維調(diào)強(qiáng)放射治療計劃系統(tǒng)及多葉光柵的研制、加速器放射性同位素的研制及生產(chǎn)、核素的靶向治療與顯像研究、核材料/熱電轉(zhuǎn)換器件增材制造研究等。